工作液电导率对MSWEDM加工工艺性指标影响研究

郭翠霞，刘康，谢文玲，周顺勇

(1.四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000;

2.四川理工学院自动化与电子信息学院，四川自贡643000)

中走丝线切割机具有多次切割功能［1］:一次切割成形，二次切割提高形状精度，三次及以上切割提高工件表面质量。随着多次切割技术在快走丝电火花线切割机床上的成功应用，低成本地改善了线切割的加工表面质量和精度，无疑是一种适应国情的技术进步。但中走丝线切割机的多次切割技术仍存在切割精度忽高忽低、精度保持性差的缺点［2］。大量资料和工厂实践表明:工作液作为放电介质，对加工工艺性指标影响较大，其中工作液的电导率起主要因素。据文献［3］介绍:为了减小工作液对MSWEDM加工工艺性指标的影响，采用两套不同的工作液循环供给系统来满足粗加工、精加工的加工需求，并根据机床加工状态，对工作液供给系统实现智能交换控制。要实现工作液智能交换控制，必须研究工作液电导率对多次切割工艺性指标的影响规律，从而确定精加工工作液电导率上限值，保证工作液智能控制系统的可行性。

1 试验条件

机床:采用四川深扬数控机械有限公司生产的DKN280BZ中走丝线切割机床;电极丝:钼丝，直径φ0.18 mm，钼丝补偿量0.01 mm;试件:模具钢Cr12，厚28 mm;工作液:采用乳化膏与自来水按质量比1∶40配制，水箱容积为32 L，此时电导率为4 500 μs/cm，加工过程中未进行过滤;测量工具:DDBJ-350便携式电导率仪，SRM-1F型表面粗糙度测量仪，千分尺;加工工艺参数如表1所示;实验通过添加KOH电解质改变工作液电导率，其工作液电导率的变化与实际电火花线切割加工中变化趋势基本一致［4］。

表1 3次切割工艺参数

2 试验结果与分析

每调节一次电导率为一组，共调节了13组，每组切割3个试件，并对每组试件测量后的实验数据取平均值，选取10组数据进行分析。

2.1 工作液电导率对加工状态的影响分析

表2中记录了整个加工过程中的加工电压、加工电流的实验数据。在整个实验加工过程中:第一次高速切割时，工作电压大约为83～85 V，工作电流在4.1～4.2 A变化，加工电流、电压变化不大，加工处于稳定状态;第二次修切时，在试件1—6加工过程中，工作电压大约为65～67.5 V，工作电流在1～1.6 A变化，加工过程还处于比较稳定的状态;但是与前6个试件相比，第7个试件的加工电流发生了突变，由原来的1.6 A突变为3.2 A，加工电流表处于非稳定状态，在1.6 A和3.2 A之间来回晃动;之后，第8～10个试件电流稳定在3.2 A，第7—10个试件的加工电压相对还稳定在85 V;在第三次精修过程中，加工电压稳定在44～45 V，但加工电流由原始的0.4 A增加到0.7 A。所以，就加工电压、加工电流稳定性而言，工作液的电导率变化对精加工稳定性影响较大，对粗加工影响较小。

表2 加工电压、电流实验数据

续表2

2.2 电导率对切割速度的影响分析

切割速度是指在保持一定的表面粗糙度的切割过程中，单位时间内电极丝中心线在工件上切出的面积总和称为切割速度，单位mm2/min。

图1 切割速度随电导率变化关系曲线

从图1中可以分析切割速度随电导率变化趋势。第一阶段 (电导率σ为 4 500 ～ 7 050 μs/cm)，切割速度先增加后减小，继而逐渐增加。当加入KOH的质量千分数为2.5‰时，电导率为7 050 μs/cm，此时切割速度达到峰值点A，数值为46.02 mm2/min;第二阶段 (电导率σ为7 050～8 750 μs/cm)，切割速度先减小到点B后增加到点C，点B的电导率是7 880 μs/cm(加入质量千分数为3.5‰的KOH)，加工效率为39.94 mm2/min，是此区间的最低点。点C的电导率为8 750 μs/cm(加入质量千分数为4‰的KOH)，切割速度为43.04 mm2/min，点B与点C的切割速度相差0.07%，变化不大;第三阶段 (电导率σ为8 750～11 750 μs/cm)，此阶段随着电导率的增加，切割速度急剧直线下降。点D的电导率为11 750 μs/cm(加入质量千分数为 6‰的KOH)，切割速度为31.16 mm2/min，点C与点D的切割速度相差甚大，达到28%。由此可知，工作液的电导率对多次加工的综合切割速度影响较大。

当电导率增大到9 430 μs/cm时，切割速度急剧下降。分析其原因［5－6］:(1)如前所述，此时在第二次修切时电流表指针晃动加大，一直在1.8～3.2 A中摆动，使加工稳定性降低;(2)电导率增大时，极间的消电离变得困难，使得下一次的放电加工不能正常进行，导致加工不稳定，影响切割速度;(3)由于电火花线切割工作机制，在放电加工中不可避免地存在“漏电流”通过极间的工作液，且随着电导率的增加，“漏电流”越严重，导致实际放电加工的能量减少，大部分消耗在极间工作液，使切割速度降低。

2.3 电导率对表面粗糙度的影响分析

电火花线切割加工是在一个极短时间内，在一个微小的区域内对金属进行熔化、汽化，发生极其复杂的物理、化学反应，工件表面重新元素化，并立即生成新的化合物。放电停止后又急剧冷却，变液相为固相，表面层在热冷作用下便会形成新质层，产生各种应力，影响工件的表面质量［7］。

由图2可知，随着电导率的增加，粗糙度呈先慢速减小、后快速增大的趋势。第一阶段 (电导率σ 为 4 500 ～ 9 430 μs/cm)，表面粗糙度Ra值从1.54 μm 到最低 点 1.34 μm。分析其原因是随着电导率的升高，工作液中的离子数量增加，加工时电解作用增强;电解对于加工表面具有抛光作用，使得电火花加工表面的表面粗糙度值略有降低。第二阶段 (电导率σ为9 430～11 750 μs/cm)，随着电导率的升高，工作液中的离子数量不断增加，表面粗糙度Ra值急剧增大。分析其原因是在较高的电导率的条件下，极间的放电间隙较大，切缝较大，可能超过了正常的放电间隙，就失去了为获得较理想的加工表面质量而进行多次切割的意义了。

图2 电导率对表面粗糙度的影响曲线

2.4 电导率对工件精度的影响分析

在电火花线切割加工中，被加工工件的形状精度是指从XY平面看到的加工形状的平面精度 (即尺寸精度)，以及被加工表面的Z向垂直度 (即腰鼓形)。为了获得较高的形状精度，要求被加工表面不但要均匀平滑而且垂直度要小，即切割面的线性度要小。从实践上看，慢走丝线切割机床加工的工件多为正腰鼓形，即工件中部凹进，而快走丝的却相反，一般是工件中部凸出。

电火花线切割中的位置精度是指所切割轮廓间的相对位置偏差，主要取决于机床本身的精度，即机床的机械精度和控制精度，以及操作过程中所选用的定位方式等。

影响电火花线切割机床的加工精度的因素很多［7－10］，主要有电极丝振动、工作液性能、加工电参数、钼丝补偿量、工件厚度、上下两个导向器与工件的间距、走丝速度等。实验采用的机床使用了智能张紧力系统，将丝的张紧力控制在15 N左右，电极丝振动引起相对误差较小，可以忽略。同时采用相同的加工工艺条件，因此可以认为影响工件加工精度的主要因素是工作液电导率变化。同时为了排除以上因素引起的尺寸精度误差，在工作液初始阶段 (未加KOH)时加工3个工件，得出由以上因素引起的最大尺寸误差，此误差为119 μm。通过实验研究工作液电导率在多次切割中对工件精度的影响，分析加工工件的尺寸精度、腰鼓形和形状精度。

2.4.1 电导率对腰鼓形的影响分析

如表3所示，被加工工件的腰鼓度随工作液电导率的增加变化不大。分析原因是:中走丝线切割机床采用了多次切割技术，即高速走丝和低速走丝的组合加工方式，相互间弥补了各自腰鼓形状的误差。即工件进行了一次高速切割后会呈现中间凸的形状，二、三次低速精修切割后会呈现中间凹的形状，二者综合后，从而对腰鼓形状进行了有效的抑制，故其腰鼓度在电导率不断增加时变化微小。

表3 工件腰鼓度随工作液电导率变化

2.4.2 电导率对尺寸精度的影响分析

尺寸精度指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸公差带中心的相符合程度。常用尺寸差来表征尺寸精度，实验用最大尺寸差值衡量工件的尺寸精度，即最大尺寸差值等于工件与基本尺寸 (10 mm×10 mm)的最大偏差。

从图3中可以看出，第一阶段 (电导率σ为4 500～9 430 μs/cm)，尺寸差值变化还比较平缓，可知工作液电导率对尺寸差精度的影响较小。第二阶段 (电导率σ为9 430～11 750 μs/cm)，随着电导率的升高，尺寸差急剧直线上升。分析其原因:在较高电导率的条件下，工件蚀除产物剧增，极间的放电间隙较大，从而影响了切缝的宽度，因此工作液电导率超过一定值时，其大小对于加工工件的尺寸精度有较大的影响。

图3 尺寸差随电导率的变化曲线

2.4.3 电导率对形状精度的影响分析

从图4中可以分析到:随着电导率的增加，被加工工件的形状精度变化不大，但总体呈增大的趋势;当电导率增大到9 430 μs/cm时，形状精度急剧增大。

图4 工件形状精度随电导率的变化曲线

3 结论

(1)工作液电导率对加工状态存在较大的影响。在整个实验过程，工作液电导率在4 500～8 750 μs/cm范围内，加工电压、加工电流变化不大，加工比较稳定;但当工作液电导率在9 430 μs/cm左右时，在第二次切割时，加工电流呈不稳定状态，由1.8 A变为3.2 A，极间工作液存在着较大的“漏电流”现象。

(2)工作液电导率对切割速度存在较大的影响。随着电导率的变化，切割速度有最大值，即电导率为7 050 μs/cm，切割速度为46.02 mm2/min;当电导率为8 750 μs/cm时，切割速度急剧下降。

(3)工作液电导率对表面粗糙度存在较大的影响。随着电导率的变化，表面粗糙度有最低值，即电导率在8 750～9 430 μs/cm范围内，工件表面粗糙度为1.34 μm。当电导率大于9 430 μs/cm时，粗糙度值急剧上升，工件表面粗糙度变差。

(4)工作液电导率对工件精度也存在影响。工作液电导率对工件的腰鼓度变化不大，但对尺寸精度影响较大。当工作液电导率小于等于8 750 μs/cm时，尺寸精度变化微小，但当电导率大于9 430 μs/cm时，尺寸差急剧上升，严重影响工件的加工精度。电导率对工件的形状精度影响不是很大，随电导率的增大，加工误差呈总体上升趋势。

因此，为了保证被加工工件的表面质量和加工精度的要求，把工作液电导率为8 750 μs/cm作为精加工工作液的上限值，保证了MSWEDM工作液智能交换的可行性。

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